Konstruktion eines Trailer-Rahmens

Die Konstruktion des Rahmens  basiert dann zunächst einmal auf zwei wesentlichen Aspekten:

Zum einen auf der Gestaltung des Rahmens hinsichtlich der praktischen Aspekte und Randbedingungen (z.B. notwendige Breite, Länge, Position der Aufnahmepunkte, etc.) und zum anderen auf den Ergebnissen der Festigkeitsberechnung.

Die Vorgehensweise ist dabei iterativ durchzuführen, das heisst jede Änderung an den geometrischen Bedinungen wird in der Festigkeitsberechnung nachgerechnet. Ergebn sich daraus notwendige Änderungen (z.B. an der Rahmendimensionierung) werden dieser wieder in das Geometriemodell eingebracht und die dort notwendigen Änderungen umkonstruiert.

Das Grundkonzept der Belastungssituation zeigt der oben angegebene Kräfte-Freischnitt. Die Achse sowie der Kugelkopf des Zugfahrzeuges stellen die Auflager dar, die Wohnkabine wird hier zunächst vereinfacht als Flächenlast angenommen, die Belastung durch die Motorrad-Transportplattformen an Bug- und Heck werden als Punktlast angenommen.

(Hinweis: Die hier gezeigte analytische Auslegung wurde später natürlich verfeinert und durch FEM Simulation bestätigt, inkl. Berechnung des Einflusses durch Eigengewicht).

Ziel der Auslegung war, dass sowohl am Bug als auch am Heck ein Motorrad mit einem maximalen Gewicht von 350kg befördert werden kann. Als erstes Auslegungskriterium wurde dabei die maximale Biegung des Rahmens bzw. die dabei auftretenden Zugspannungen herangezogen.

Der Bereich im Bug ist dabei aufgrund der beidseitigen Einspannung eher unkritisch, obererster Augenmerk liegt hier somit bei der Dimensionierung der Rahmenprofile für die Belastung am Heck.

Als möglicherweise geeignete Rahmenprofile wurden unterschiedlichste Geometrien berechnet, die als Stahl-Standardware verfügbar sind. Darunter beispielsweise HEA, HEB, Vierkantrohr, Rechteckrohr sowie UPE und UNP Profile.

Als Anhaltspunkte für die auftretenden Biegungen hier einmal ein paar Beispielergebnisse:

Durchbiegung eines Rahmens  mit 2 Längsträgern bei statischer Belastung durch das Motorrad am Heck (350kg):

  • Vierkantrohr in 70×4: ca. 308mm (plastische Verformung)
  • Vierkantrohr in 100x5mm: ca. 46mm
  • HEB 100: ca. 28mm
  • UPE 160: ca. 14mm

Die oben gezeigten Beispielrechnungen zeigen klar, dass die hohen Belastungen durch die Motorradplattformen nur mit etwas massiveren Dimensionierungen möglich werden.

Gleichzeitig muss bei der Konstruktion des Rahmens aber auch noch beachtet werden, dass die Anbringung von Anbauteilen bei unterschiedlichen Profilgeometrien nur unterschiedlich gut zu bewerkstelligen ist.

Beispielsweise haben die Vierkantrohre gute mechanische Eigenschaften, bieten aber die Nachteile, dass Verschraubungen nur als Durchgangsbohrung möglich sind und dass offene Löcher zur Ansammlung von Wasser/Schlamm im Inneren des Trägers führen kann.

Letztendlich entscheidet die Aufgabe und der Einsatzbereich des Trailers darüber welches Profil und welche Dimensionierung die geeignetste ist, in diesem Fall unseren Prototypen-Trailers war es das UPE Profil.

Die Beschreibung der Konstruktion folgt in einem folgenden Beitrag.

 

 

Zulassung eines Trailer-Eigenbaus

Wie im vorherigen Beitrag beschrieben stand nach einigen Überlegungen unsere Entscheidung fest, dass wir für unseren liebgewonnenen „Oldtimer“-Trailer Hobby 530 einen neuen Rahmen konstruieren und die Wohnkabine dort aufsetzen wollten.

Ziele die wir mit diesem neuen Rahmen erfüllen wollten waren:

  • Anbaumöglichkeiten für diverse Komponenten (Dachträger, Werkzeuge, Heckplattform, Frontplattform, etc.)
  • robuster, langlebiger und sehr stabiler Rahmen
  • ausreichend Bodenfreiheit und coole Optik
  • große Räder mit ordentlichen Profil

 

Gleichzeitig war natürlich selbstverständlich, dass der neue Trailer alle gesetzlichen Anforderungen und Sicherheitsrichtlinien erfüllen soll und muss!

Als erstes haben wir also einmal diesbezüglich alle verfügbaren Informationen eingeholt, die so in den Gesetzestexten der Straßenverkehr- und Zulassungsordnung zu finden sind. Zudem haben wir den Kontakt zu einem Prüfer für Sonderabnahmen/Einzelabnahmen beim TÜV hergestellt und unsere Vorhaben diskutiert und durchgesprochen. Schnell stand dann fest:

Möglich? Ja, aber nicht „mal so eben“

 

In kurzer Zusammenfassung können eigentlich folgende Punkte festgehalten werden, die zwingend zu erfüllen sind:

  • Festigkeitsberechnung des gesamten Rahmens inkl. der Anbauteile (statisch und dynamisch)
  • Nachweise zur Dimensionierung und Auslegung aller Fahrwerkskomponenten (Achse, Bremse, Zugholme, Deichsel, Auflaufeinrichtung, Reifen)
  • Gewichtsberechnung und Wiegeprotokoll
  • Erfüllung sämtlicher Anforderungen hinsichtlich Rückleuchten, Begrenzungsleuchten, Höhen, Breiten, Fußgängerschutz, elektrische Anlage, Gasanlage, Unterfahrschutz, Rahmenbearbeitung und Kanten, Gewichte und Abmessungen
  • Schriftliche Dokumentation aller Komponenten und Berechnungen
  • Bestehen der Vor-Ort Prüfung aller Komponenten durch die Prüfingenieure der technischen Prüfstelle
  • Aufbringen der Gebühren für die Einzelabnahme/Sonderabnahme

Theoretisch war unser Vorhaben also möglich, jetzt war nur noch die Frage, ob wir es praktisch eben auch umsetzen können.

Vermutlich ist von den genannten Aspekten der Punkt der Rahmenauslegung und der Festigkeitsnachweis für die meisten hier die größte Hürde. In diesem Punkt kam mir jedoch zu Gute, dass ich meine berufliche Ingenieurs-Laufbahn an einem Universitätsinstitut verbracht habe, welches sich intensiv mit FEM Simulationen und in der Lehre mit Bauteildimensionierung beschäftigt hat, so war zumindest dieser Punkt schon einmal keine unüberwindliche Hürde, sondern lediglich mit etwas „Auffrischen“ von Wissen verbunden.

So ging es dann also los und ich habe begonnen mich mit der Konstruktion und Auslegung des Rahmens zu beschäftigen.

Mehr dazu lest Ihr im Folgenden Beitrag.

 

Macht die Technik dem Traum den Strich durch die Rechnung?

Wie in meinem vorherigen Beitrag beschrieben, stand unsere Entscheidung fest. Wir wollten aus unserem liebgewonnen (aber historischen) Hobby 530 einen Offroad-fähigen Trailer mit diversen optischen Gimmicks und am liebsten auch noch coolen Zusatzfunktionen machen.

Aber leider mussten wir realisieren, dass die Technik eines solchen Wohnwagens einfach nicht auf solche Dinge ausgelegt ist.

Aber schauen wir es uns mal an, was sind die Dinge an denen es scheitert, was ist ok?

Fangen wir zunächst einmal damit an, woran es scheitert:

1. Gewicht

Fangen wir mal mit dem Gewicht an. Jeder Wohnwagen-Fahrer kennt die unzähligen Diskussionen über das Gewicht und die Beladung aus den Foren. Irgendwie habe ich sowas aber nie so richtig realisiert, bis ich dann selber mal genauer drauf geschaut habe. Tatsächlich ist es so, dass der besagte 530er ein eingetragenes Gewicht zul. Gesamtgewicht von 1.200kg hat.

Anhand der Typenschilder der Achse und der Auflaufeinrichtung (die mir der Hobby Support freundlicherweise auf Anfrage wieder in lesbar zugesandt hat) konnte ich ablesen, dass diese (Fahrwerks-)Komponenten ein zulässiges Gesamtgewicht von 1.350kg haben.

Dies ist dann aber auch die absolute Grenze, mehr geht nicht (mit diesem Fahrwerk).

Ich habe mir dann den 530er geschnappt und bin damit zum Schrottplatz um die Ecke gefahren um ihn zu wiegen. Gewicht ohne Reisegepäck und Verpflegung (aber mit Gas, Porzellan-Geschirr, Werkzeug und sonstigem Kram den ich immer drin lasse) lag also bei 1.200kg.

Also noch 150kg Zuladung frei, naja das ist nicht viel.

Wenn ich jetzt überlege was ich gerne alles mitnehmen würde:

  • Verpflegung und Bier (15kg)
  • Reisegepäck (20kg)
  • Gasgrill (20kg)
  • Motorrad (100kg)
  • 4 x Fahrräder (80kg)
  • Spaten, Sandbretter, Dachzelt, …
  • (ich glaube ich brauche hier nicht weiter aufzuzählen)

Naja, der Gedanke war dann zuerst, ob ich nicht einfach innen alles rausschmeissen könnte, damit ich wieder leichter werde, so dass ich dann außen alles anbauen und dranpacken kann was ich dabei haben will. Dieser Gedanke wurde dann aber releativ schnell (durch meine Frau) beerdigt :D, abgesehen davon hätte es ohnehin nicht gereicht.

Fazit: Wir werden definitiv (viel) zu schwer.

 

2. Belastbarkeit/Steifigkeit des Rahmens

Mal angenommen, das zulässige Gesamtgewicht wäre nicht das Problem und würde den Anbau von Transportplattformen für z.B. Motorräder ermöglichen, wäre als nächstes die Frage, ob der Grundrahmen des Fahrgestells die Last überhaupt ertragen kann, ohne sich unzulässig stark zu verformen.

Dazu habe ich mir einmal die Rahmenkonstruktion des 530er angesehen (2 x C-Profil in 80×40), diese mal überschlägig durchgerechnet (einseitig eingespannter Biegebalken, Biegung über die Achse mit einem Hebel in Größe der Ausladung, Lastfall ergibt sich aus Beladung mit einem Motorrad am Heck, statische Belastung).

Diese Berechnung hat dann relativ schnell gezeigt, dass der Rahmen sich um mehr als 10cm verformen würde (nach unten biegen) und sich dabei plastisch verformen würde.

Fazit: Totalschaden

 

3. Belastbarkeit der Wohnkabine, Wände und Dach

Neben dem Transport von diversen Spielsachen und Outdoor-Küchenzeug auf zusätzlichen Transportplattformen war ja auch das Anbringen von Werkzeugen, Sandbrettern, Dachzelten, Reservereifen, etc. auf dem Dach oder an den Wänden geplant.

Hier muss einfach auch festgehalten werden, dass die dünnen Wände im Sandwich-Aufbau solche Belastungen maximal statisch, nicht aber unter dynamischer Belastung (starkes Bremsen, schnelles Überfahren von Hindernissen, etc.) langfristig aushalten.

Fazit: Die Wände und das Dach halten nicht aus was geplant ist.

 

4. Bodenfreiheit

Das Standard-Fahrwerk eines Caravan bietet in aller Regel eine derart geringe Bodenfreiheit, dass selbst das Überfahren von einfachen Geschwindigkeits-drempeln schon zum Aufsetzen führen kann. Eine Vergrößerung der Bodenfreiheit ist beispielsweise über die Wahl eines größeren Reifendurchmessers (inkl. Felgendurchmesser) möglich. So vergrößert sich der Radius und das gesamte Fahrgestell kommt hoch.

Leider kommen hier aber weitere Hürden zum Vorschein und zwar zum Einen die Bremse, dann der Radkastenausschnitt und zuletzt auch noch die Nabe bzw. der Lochkreis.

Fangen wir mit dem Radkasten an. Dieser ist oft so knapp bemessen, dass ein größerer Reifen schlicht und ergreifend gar nicht in den Radkasten passen würde. Hier wäre also das Aussägen des Radkastens und der Bau eines neuen (wasserdichten) Kastens notwendig. Einhergehend natürlich auch die Veränderung des Innenausbaus (meist Kühlschrank, Küche, Nasszelle).

Als weiteres Problem kommt die Belastbarkeit der Bremse hinzu. Die Bremse ist ausgelegt auf ein gewisses Bremsmoment, also quasi auf eine Verzögerungsleistung. Verändert sich der Reifendurchmesser, verändert sich auch das Drehmoment welches auf die Bremse einwirken kann. Dies kann quasi analog zu einer Kettenschaltung am Mountainbike gesehen werden, wenn ich hinten auf ein kleines Kettenrad schalte ist es schwerer zu treten, wenn ich hinten auf ein großes Kettenrad schalte, ist es leichter zu treten. Sprich: Die Übersetzung wird verändert.

Bei einer Veränderung der Bereifung muss also geprüft werden, ob die Bremsenzuordnung noch korrekt ist. Der Hersteller spricht dabei von Bremsenzuordnungsberechnung. Meist sind die Wohnwagen-Bremsen jedoch ziemlich am Limit ausgelegt (Gewicht und Geldersparnis), so dass hier selten Reserven auszunutzen sind. (Die Reifenbreite spielt hierbei kaum eine Rolle)

Last but not least kommt dann noch die Radaufnahme. Meist ist es schwierig größere Felgen mit interessanten (Offroad-Reifen) für die vorhandene Lochkreise zu finden. Hier können Adapterplatten helfen.

Als letzte Alternative zur Erhöhung der Bodenfreiheit kann noch die Möglichkeit genannt werden, die Achse nicht direkt an den Rahmen zu montieren, sondern beispielsweise mit Abstandhaltern. Dies ist möglich und in gewissen Fällen sinnvoll, beispielsweise auch in Kombination mit dem Einbau einer Federung (z.B. Blattfederung)

Fazit: Bremse reicht nicht für andere Reifen, Bodenfreiheit katastrophal, Offroad-Einsatz undenkbar ohne sofortiges Aufsetzen und Totalschaden

 

5. Bereifung

Die Bereifung ist ja prinzipiell weiter oben schon erwähnt, muss aber zudem auch noch einmal separat angesprochen werden. Insbesondere der Lastindex ist hier eine entscheidende Größe. Jeder Reifen besitzt eine maximale Belastung, welche durch eine Zahl angegeben wird. Ein Lastindex (LI) von 100 ist beispielsweise ein typischer Wert und steht für eine Belastbarkeit von 800kg. Bei einem Einachser (und zwei Reifen) folgt somit ein maximales Gewicht von 1.600kg. Hier wird nun auch deutlich, welchen Vorteil ein Tandemachser bringen kann, dort verteilt sich die Last auf 4 Reifen, der Lastindex kann also erheblich kleiner gewählt werden.

Schwere PKW wiegen heute bis zu 3,5t und haben 4 Reifen. Pro Reifen sind somit ca. 800kg realistisch, weshalb auch die meisten PKW Reifen nur bis zu einem Lastindex von ca. 100 – 110 erhältlich sind. Überschreitet man also ein zulässiges Gesamtgewicht von ca. 2.000kg und beabsichtigt einen Einachser zu bauen, bleibt einem nichts anderes als der Griff ins Regal der LKW Reifen (was nicht unbedingt schlimm ist, aber wie alles Vor- und Nachteile hat).

Fazit: Bereifung darf ich eh nicht ändern am Hobby 530

 

7. Böschungswinkel

Der Heck-Böschungswinkel ist der Winkel, den eine Schräge haben darf, nach deren Herunterfahren das Heck nicht auf der Schräge aufsetzt. Je größer dieser ist, desto besser (für Offroad Einsätze). Beeinflussen kann man den Böschungswinkel aber nur indirekt, durch die Konstruktion und das gesamte Fahrzeugkonzept. Tendenziell verbessert eine höhere Bodenfreiheit immer auch den Böschungswinkel.

Fazit: Böschungswinkel im Original mies, mit zusätzlicher Transportplattform hinten dran noch viel schlimmer.

 

8. Stützlast

Die Stützlast ist die Last mit der der Trailer auf dem Kugelkopf aufliegt. Diese darf in Deutschland maximal 150kg betragen, muss aber mindestens 4% des tatsächlichen Trailergewichtes (oder min. 25kg) betragen. Gleichzeitig darf die Stützlast aber auch nicht den zulässigen Wert des PKW überschreiten.

Am Trailer kann durch die Beladung und die Position der Achse die Stützlast variiert werden. Zudem kann durch die korrekte Wahl der Deichsel und der Auflaufeinrichtung eine passende Komponente gewählt werden.

Fazit: Muss halt zum Gesamtkonzept passen

 

9. Zulassung

Fakt ist, das geplante Fahrzeugkonzept im Sinne von „offroadize it“ ist mit dem vorhandenen Fahrgestell nicht möglich.

 

Geplante Lösung:

Wir entwickeln, konstruieren, berechnen, fertigen und montieren ein vollständig neues, sehr robustes, langlebiges und mit Reserven ausgestattetes neues Fahrwerk und setzen die alte Wohnkabine einfach nur oben drauf.

Aber wie kriegt man sowas zugelassen?

Das erkläre ich im nächsten Beitrag.